碳纖維復合材料層壓板低速沖擊損傷性能研究

付浩、王寬、劉鵬

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

碳纖維復合材料因其具有多種優(yōu)異的物理性能而廣泛應用于制造行業(yè)。碳纖維復合材料具有較高的比模量和比強度，可以承受較大程度的沖擊，不容易受到腐蝕，材料性能不受高溫環(huán)境影響，具有較強的絕緣性能[1]，可設計性較強，加工也比較簡單。在航空航天領域，很多飛機構件都是由碳纖維復合材料制造的。由該材料制造的飛機構件在受到跑道上的砂石或者其他物體的低速沖擊后容易損傷，但是由于損傷面積較小，不經過細致的檢查很難觀察到[2]。構件受到損傷會對其機械性能造成一定程度的影響，從而對飛機的飛行安全產生危害，甚至造成嚴重的飛行事故。飛機的主支撐結構也是由碳纖維復合材料制造的，當該結構受到低速沖擊后，可能導致構件產生分層損傷而使其機械性能下降。

因此，對碳纖維復合材料層壓板低速沖擊損傷性能展開研究，以提高碳纖維復合材料應用的安全性，具有很大的現實意義。

1 試驗

1.1 試驗原理

本文采用的試驗材料為國產的T800 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。首先，采用低速沖擊試驗機沖擊試件；其次，對試件進行壓縮試驗，利用超聲波C-掃描技術確定試件的破壞形態(tài)，并繪出沖擊能量與凹坑深度的關系圖；再次，對試件的低速破壞特性進行分析；最后，對試件的破壞形態(tài)、拐點與沖擊強度的關系進行分析。材料斷口的形貌可以利用顯微鏡進行觀察。

1.2 試驗材料制備

所用的試驗材料是國產T800 型碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，輔層順序為[+45/0/-4/90]6S，平均纖維體積百分比為60±2%，層壓板利用熱壓罐成型，每層厚度是0.2mm，層數是24 層，測試材料的大小是150mm×100mm×4.8mm。

1.3 測試與表征

沖擊試驗采用低速沖擊試驗機，本文的沖擊試驗在相關參考標準下進行。低速沖擊試驗機的沖頭為半球形，直徑為16mm，制造材料為鋼，質量為5.5kg。對層壓板進行沖擊損傷試驗時一共使用了七種能量，分別為5J、15J、25J、35J、45J、55J、65J。

每次沖擊試驗完成后，對沖擊產生的凹坑深度利用千分表進行測量，對測量結果進行記錄。層壓板受沖擊后的內部損傷情況利用超聲波C-掃描技術進行觀察，損傷的投影面積利用軟件進行計算。

沖擊完成后開始進行壓縮試驗（見圖1），參與試驗的壓縮夾具需要滿足一定的標準。本文的壓縮試驗是在萬能試驗機內進行。試驗機以1.25mm/min 的速率進行加載。在開始試驗前需要將試驗樣品安裝在夾具中，以防止試驗樣品在試驗過程中發(fā)生位移，保證試驗樣品的中線和壓縮頭的中線重合，避免在試驗過程中因為加載偏差而造成試驗樣品彎曲。

圖1 沖擊后壓縮試驗

殘余壓縮強度計算公式：

式（1）中：

FCAI表示壓縮強度，MPa；

Pmax表示最大應力，N；

w表示試驗前試樣寬度，mm；

h表示試驗后試樣寬度，mm。

對材料的力學性能進行測試，6 個試樣為一組，取測量結果的平均值為性能標準，標準差和離散系數的計算公式如下：

式（2）～式（4）中：

χ表示性能平均值；

sn-1表示樣本標準差；

Cν表示性能離散系數；

χi表示性能值；

n表示試樣數量。

2 結果與分析

2.1 沖擊損傷特性

復合材料在受到低速沖擊后，材料表面會產生凹坑和其他損傷，凹坑的深度和損傷面積是對復合材料的性能進行評定的重要標準。在完成沖擊試驗后，為了防止出現回彈情況，需要立即對凹坑深度進行測量。沖擊能量和凹坑深度之間的關系如圖2 所示。

圖2 沖擊能量與凹坑深度關系曲線

分別以5J、15J、25J、35J、45J、55J、65J 的能量沖擊層壓板，從圖2 中可以得知，隨著沖擊能量的增大，凹坑的深度也越深，但是兩者之間的關系為非線性關系。隨著沖擊能量的提升，35J 成為一道分水嶺，在達到這一沖擊能量之前，凹坑深度增加緩慢，在這之后，凹坑深度增加速度急速加快，沖擊能量達到65J 時，層壓板產生穿透性損傷。以此可以判斷出，在層壓板受到的沖擊能量達到35J 之前，其受到沖擊后的主要承載體為樹脂基體，在沖擊能量達到35J 之后，層壓板表面的樹脂纖維承受了大部分的沖擊，隨著沖擊能量持續(xù)升高，纖維層的斷裂數目隨之增多，凹坑深度也隨之快速增加，層壓板基本失去對沖擊能量的抵抗能力。

2.2 沖擊表面形貌

當層壓板受到的沖擊能量較弱時，表面的損傷程度用肉眼幾乎難以發(fā)現；當沖擊能量增大時，會使其表面產生一個小的凹坑，而在其背面則會產生基體的破裂和纖維的斷裂；當沖擊能量持續(xù)增大時，層壓板表面的凹坑深度也隨之增加，背部纖維的斷裂數量也越來越多，沖擊形貌表現為不規(guī)則的圓形；當沖擊能量達到35J 時，層壓板的損傷形貌類似橢圓形，纖維大量斷裂，斷裂方向和纖維的鋪層方向保持一致；當沖擊能量達到65J 時，層壓板被穿透，徹底失去對沖擊的抵抗力，損傷區(qū)域受沖擊面與背面形貌一致。

2.3 沖擊損傷面積

沖擊能量和損傷面積的數據如表1 所示。從這些數據可以總結出，層壓板的損傷面積隨著沖擊能量的增大而增大，在沖擊能量達到65J 之后，損傷面積又急劇減小，這種情況出現的主要原因是，最先抵御沖擊能量的是層壓板表面的樹脂基體，隨著沖擊能量的不斷增大，樹脂基體開始出現分層現象，層壓板的損傷面積開始逐漸擴大，隨著沖擊能量的繼續(xù)增大，層壓板開始出現纖維斷裂的情況，層壓板的纖維斷裂趨勢向中間延伸，此時層壓板損傷面積的擴張趨勢開始降低，當沖擊能量達到一定程度，層壓板被穿透，但是由于沖頭的直徑并沒有發(fā)生改變，層壓板被擊穿后，沖頭僅對周邊纖維產生破壞，沖頭所能產生的沖擊范圍也是有限的，因而損傷范圍也就逐漸縮小。

表1 沖擊能量和損傷面積

2.4 沖擊后壓縮性能

復合材料在受到沖擊后，低速沖擊損傷會對壓縮性能造成比較明顯的影響，復合材料的損傷容限性能可以以受沖擊后的壓縮強度為評定標準。在不同的沖擊能量作用下，層壓板的殘余壓縮強度隨沖擊能量的增大而逐漸下降，這主要是由于層壓板的彈性材料首先承受了沖擊能量，而當沖擊能量持續(xù)增大時，樹脂基體開始出現分層現象，隨著沖擊能量的繼續(xù)加大，層壓板開始出現纖維斷裂的情況，在樹脂基體承受主要沖擊能量時，層壓板的殘余壓縮強度降低較快，層壓板中的纖維大量斷裂，使其殘余壓縮強度持續(xù)下降，而在對層壓板進行沖擊時，因其具有固定的尺寸，在被擊穿后，沖頭對層壓板造成的纖維損傷情況也會逐漸降低。因此可以猜測，隨著層壓板受到的沖擊能量不斷增大，殘余壓縮強度的降低速度在不斷減?。ㄒ妶D3）。

圖3 沖擊能量和剩余壓縮強度曲線

2.5 沖擊后斷口形貌分析

在對層壓板進行沖擊的過程中，隨著沖擊能量的增大，層壓板會出現分層的情況，內部的纖維層也開始逐漸斷裂。當層壓板受到的沖擊能量達到一定程度時，層壓板受沖擊面和背面的纖維將會完全斷裂，此時層壓板將會被徹底破壞，層壓板失效。層壓板的纖維被破壞，主要是受到沖頭的擠壓，導致纖維斷裂。層壓板上的裂紋從被沖擊點開始，會逐漸延伸到整個層壓板表面，且裂紋方向始終與層壓板的表面纖維鋪層方向保持一致。層壓板斷裂包括纖維斷裂、層壓板分層和剪切破壞，并伴有少量屈曲特征，大多數層壓板斷口呈楔形（見圖4）。

圖4 壓縮后試樣的破壞形貌

3 結論

綜上所述，碳纖維復合材料雖然具有多種優(yōu)異的物理性能，但由于其在受到低速沖擊后容易損傷，導致其應用受到一定的局限。本文對碳纖維復合材料層壓板低速沖擊損傷性能進行研究，希望以此提高碳纖維復合材料的抗沖擊性能，為拓展其應用領域做出貢獻。

當CFRP 層合板（是碳纖維復合材料，由單向碳纖維或編織布與樹脂基體通過層合熱壓而成）試樣遭受10J 或更高的能量橫向撞擊時，肉眼可見地出現了纖維斷裂、層間剝離、縫線斷裂以及基質碎片嵌入等嚴重的破壞現象；其橫向碰撞破壞形態(tài)為：在接近碰撞點處形成一個半橢圓狀的層狀結構，其長軸沿0 度和短軸沿90 度兩個方向，且有縫合痕跡的層狀物的橫向碰撞破壞范圍較無縫合痕跡層狀物要小。在沖頭下落的方向上，CFRP 層合板的損傷面積、纖維斷裂數量和層間分層裂縫長度都出現了逐漸減少的趨勢。但是，試件的分層裂縫長度由層板表面向內部的變化沒有其他兩者那么明顯，因此，認為纖維斷裂是對CFRP層合板在側向沖擊后的性能降低的更重要的因素。

在此次的試驗研究中，使用的CFRP 層合板是采用VARTM 工藝來制作的，但是VARTM 工藝會受到諸如溫度等環(huán)境因素的很大影響，還需要手動的粘貼膠帶來使其處于完全密封狀態(tài)，這樣的工藝具有很強的不穩(wěn)定性（在制件的過程中很容易出現漏氣等現象），而且最后制成的CFRP 層合板也比較容易出現一些干斑、氣孔等缺陷，從而會對超聲C 掃描檢測結果的觀察造成干擾。因此，在以后的工作中，希望能對CFRP 層合板的成型工藝進行改進，或者嘗試使用不同的成型工藝來進行制件，比如熱壓罐成型工藝等，盡可能地確保試件的優(yōu)異成型。